JPH09166485A - 光学装置 - Google Patents

光学装置

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JPH09166485A
JPH09166485A JP8291524A JP29152496A JPH09166485A JP H09166485 A JPH09166485 A JP H09166485A JP 8291524 A JP8291524 A JP 8291524A JP 29152496 A JP29152496 A JP 29152496A JP H09166485 A JPH09166485 A JP H09166485A
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JP
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lens
light
optical
fiber
sample
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Brian L Heffner
ブライアン・エル・ヘッフナー
Wayne V Sorin
ウェイン・ブイ・ソリン
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Hewlett Packard Co
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G—PHYSICS
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    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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    • G11B7/08—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers
    • G11B7/09—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers with provision for moving the light beam or focus plane for the purpose of maintaining alignment of the light beam relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料表面が傾動する場合に自動的に光学位置合
わせをおこない、表面に対する焦点を合わせる。 【解決手段】本発明では、表面から反射された光の強度
を継続的に検出し、表面が動いた場合、一次元または二
次元におけるのレンズ系の位置合わせをフィードバック
ループによってアクチュエータで調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ・システムに
関し、より詳細には、試料から反射された光が光ファイ
バに効率的に集まるようにファイバを試料に結合する改
良された機構に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】試料に光を照射したときに試
料から反射された光を観察することによって試料の特性
を推定するための数多くの物理的測定がある。たとえ
ば、試料の化学的組成に関する情報をその試料に既知の
波長を有する光を照射することによって生成される蛍光
スペクトルを観察することによって推定することがよく
行なわれている。
【０００３】かかる測定を行なうためには、光を試料に
伝達し、試料から発せられた光を集めて分析しなければ
ならない。試料に光を照射するため、単一モードおよび
多モードの光ファイバを用いることが多い。光ファイバ
は操作が容易であり、かなりの帯域幅にわたって高い伝
送を行なう。基本的には、試料からの光も同じファイバ
を用いて集められる。この種の集光法(collection sche
me)は集光の問題に対する有効な解決法ではあるが、試
料の位置および／または傾斜が測定処理の間に変化する
場合には良好に機能しない。
【０００４】動いている試料の特性を特定するための多
くの測定アプリケーションが考えられている。たとえ
ば、干渉計技術を用いて製造中の薄膜の厚さおよび組成
を測定することができる。残念ながら、かかる膜は比較
的高い速度で運動しており、「振動する」傾向がある。
この振動の結果、膜に光を当て、膜の前面と後面から反
射される光を集めるのに用いられる光ファイバに対する
膜の角度および／または距離が変化する。
【０００５】典型的には、光ファイバと表面の間で光を
結合させるにはレンズが用いられる。一般的なレンズの
構成としては、コリメートとイメージングの２つがあ
る。コリメート構成においては、ファイバから出る光は
光ファイバのコアよりはるかに大きい直径を有する平行
光線からなるビームに拡張される。初めの光束の方向に
平行に戻る光はレンズによって光ファイバに集束され
る。表面の傾斜が代わると、この条件が満足されず、し
たがって、集光の効率が悪くなる。集光の効率に対する
レンズと面の距離の影響はごく小さい。したがって、コ
リメート構成はビーム方向の面の移動によって影響され
ない。
【０００６】イメージング構成においては、レンズを用
いてファイバ・コアのイメージが試料上に形成される。
したがって、試料のある一点が照射される。この構成は
試料の傾斜の影響を比較的受けにくい。しかし、レンズ
と試料の間の距離が変化すると試料上の照射されたスポ
ットが拡大する。照射されたスポットのファイバへの結
像はレンズと試料に適正な間隔がおかれることに依存す
るため、イメージ構成における集光の効率はレンズと試
料の間の距離の変化に大きく影響される。
【０００７】
【発明の目的】本発明の目的は光ファイバから試料への
光の結合に用いられる光結合レンズ系のための改良され
た位置合わせ機構を備えた光学検出装置を提供すること
である。本発明の他の目的は試料面の向きの変化を補正
することのできる位置合わせ機構を備えた光学装置を提
供することである。本発明の他の目的はレンズ系と試料
表面の間の距離の変化を補正することのできる位置合わ
せ機構を備えた光学装置を提供することである。
【０００８】本発明の以上の目的および他の目的は当業
者には以下の発明の詳細な説明と添付図面から自明のこ
とである。
【０００９】
【発明の概要】本発明は、光学信号を表面に印加し、そ
の光学信号の印加に応じてその表面から反射される光を
集める装置である。光学信号と集光された光は表面に近
接した端部を有する光ファイバ中を進行する。この端部
は、光学信号を表面に結合するレンズによって表面に光
を供給し、表面から発せられた光を集め、集められた光
を光ファイバに結合する。検出器が光ファイバに供給さ
れた光の強度を測定し、測定された強度を時間の関数と
して表わす検出信号を生成する。アクチュエータ群によ
って、ファイバの近接端に対してレンズの位置を振動さ
せる。各アクチュエータは異なる振動周波数で動作し、
異なる軸上でレンズをファイバに対して移動させる。フ
ァイバの近接端に対してレンズのそ各軸上の平均位置
は、対応する振動周波数で検出される平均出力が最大限
になるように調整される。
【００１０】
【発明の実施例】本発明による利点を得る方法は、図１
を参照することでより明確に理解できる。図１にには、
本発明に係る光学装置が用いられた移動補償システム１
００が示されており、振動発生器(dither oscillator)1
21を用いてファイバ112の端部に対するレンズの位置を
変化させる。本実施例の目的のため、試料表面が測定の
あいだ傾動することを前提にする。ファイバ112を介し
て試料に供給される光源110からの光によって試料は照
射される。レンズ102はファイバ112から出る光をコリメ
ートさせ、試料表面から戻って来る光を集める。集めら
れた光の強度が検出器111を用いて測定される。
【００１１】システム100は、低域フィルタ124の出力の
平均値がゼロであるとき、検出器111に戻される光の量
が最大限になるようにレンズ102を位置決めのための信
号を生成する。これは、図示するようにこのレンズを前
後に振動させることによって行なわれる。したがって、
検出された出力は時間の経過とともに変化する。検出器
の出力は回路122によってゼロの平均値を有する振動周
波数で増倍される。これによって、理想的な位置からの
平均レンズ位置の偏差に比例する平均値を有する信号を
生成する。この平均値は低域フィルタ124の助けによっ
て抽出される。この信号は、フィルタ124の出力をゼロ
に低減するのに必要なアクチュエータ位置へのオフセッ
トを供給するループフィルタ125に入力される誤差信号
として用いられる。
【００１２】図１に示すようなコリメート構成の場合に
は、レンズをファイバ112の軸に直角な平面内において
位置合わせするだけでよい。二次元のアライメントは、
第２のアクチュエータを用いてレンズをアクチュエータ
120に直交する方向に移動することによって行なわれ
る。第２のアクチュエータは、異なる周波数で駆動され
る第２の振動発生器によって駆動される。異なる振動周
波数を用いることによって、ｘ制御とｙ制御を互いに干
渉することなく別々に動作させることができる。乗算回
路によってそれぞれのサーボループがそのループ内の発
振器の周波数に制限される。かかる構成を図２の200に
示す。図２は、レンズ102をｘ−ｙ平面内で位置決めす
るための二次元振動サーボシステムのブロック図であ
る。ｘ方向の動きはアクチュエータ220によって得ら
れ、ｙ方向の動きはアクチュエータ320によって得られ
る。xアクチュエータは振動発生器221、乗算器222、低
域フィルター224、ループフィルター225および加算回路
223からなる第１のサーボループによって制御される。
ｙアクチュエータは振動発生器321、乗算器322、低域フ
ィルタ324、ループフィルタ325および加算回路323から
なる第２のサーボループによって制御される。
【００１３】ボイスコイルで構成されるアクチュエータ
は当該技術分野では一般的であり、上述したアクチュエ
ータ220および320を構成するのに適している。かかるア
クチュエータは機械技術分野では周知であるためここで
はこれ以上の説明を省略する。
【００１４】結像レンズを用いたシステムでは、第３の
振動周波数を用いた第３のサーボループを用いてレンズ
をファイバの軸に平行に移動することができる。かかる
構成は図１および図２に示すものと同様であるため、こ
こでは二次元および三次元サーボシステムについてはこ
れ以上の説明を省略する。
【００１５】上述したシステムの利点の１つは、検出器
出力を用いてサーボ信号を生成することにある。検出器
が市販の測定システムの一部であり、試料からある距離
をおいて配置されるために適宜な検出器出力を得ること
ができない場合もある。このような場合、図３の400に
示すように第２の検出器およびまたは光源を用いること
もできる。ファイバ112の端部とレンズ102の間にビーム
スプリッタ402が介装される。これによって、補助光源
および検出器404をこのビームスプリッタを介してシス
テムに結合することができる。補助光源と補助検出器は
いずれもビームスプリッタから離して配置する必要のな
いことに注意しなければならない。たとえば、補助検出
器のみをビームスプリッタから動作させるシステムは当
業者には簡単に理解される。かかるシステムでは、補助
光源を測定器の検出器に設けることもでき、またその両
方を削除することもできる。
【００１６】上記の構成はレンズの位置を制御するもの
であるが、本発明の原理にしたがってファイバの端部の
位置をレンズに対して移動させる代替実施例も可能であ
る。かかるシステムの１つにおいては、アクチュエータ
はファイバ端部に接続されレンズは固定される。かかる
システムは試料上の照射される位置が変化してはならな
い測定システムにおいて好適である。試料の傾斜によっ
て起こる反射結合の損失を、ファイバ端部を図４に示す
ような新たな位置に移動させることによって補正するこ
とができる。試料が504に示す状態から505に示す状態に
傾斜する場合、ビームは新たな位置に移動し、そのため
ファイバの端部を506に示す新たな位置に移動させなけ
ればならない。これは、ファイバの端部に接続されたア
クチュエータ507および508を有する上述したものと同様
のサーボシステムを用いて行なわれる。
【００１７】試料とレンズの間の作動距離は図４に示す
レンズ509を所望の作動距離を得られるレンズの適当な
組み合わせに置き換えることによって増大させることが
可能であることに注意しなければならない。特に、作動
距離を長くし、同時にアクチュエータを限られた機械的
動作範囲で使用することを可能にするようなレンズの組
み合わせを設計することができる。かかる構成は光学技
術の分野には従来からあるものであり、したがってここ
では詳述しない。
【００１８】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。 (1)表面に光学信号を印加し、光学信号の印加に応じて
表面から発せられる光を集め、光学信号と集められた光
は、表面に近接する端部を有する光ファイバの中を進む
光学装置において、光学信号を表面に結合し、表面から
発せられた光を集め、集められた光を光ファイバに結合
するレンズと、光ファイバの内で、集められた光の強度
を測定し、測定強度を時間の関数として表わす検出信号
を生成する検出器と、レンズを光ファイバに対して軸上
で第１の周波数で前後に移動させる手段からなり、レン
ズは移動手段によって制御されるものであり、第１の軸
上の光ファイバに対する平均位置を有し、平均位置は第
１の周波数における検出信号の平均出力が最大限になる
ように繰り返し調整されることを特徴とする光学装置。 (2)移動手段はレンズを光ファイバの軸に直角な平面内
で移動させることを特徴とする前項(1)記載の光学検出
装置。 (3)移動手段はレンズを光ファイバと同軸の軸上で移動
させることを特徴とする前項(1)記載の光学検出装置。 (4)移動手段は光ファイバの端部を光ファイバの軸に直
角な平面内で移動させることを特徴とする前項(1)記載
の光学検出装置。 (5)移動手段はさらに、レンズを光ファイバに対して第
１の方向と異なる方向を有する第２の軸上で第２の周波
数で前後に移動させる手段を有し、レンズは移動手段に
よって制御されるものであり、第２の軸上の平均位置を
有し、平均位置は第２の周波数における検出信号の平均
出力が最大限になるように繰り返し調整されることを特
徴とする前項(1)記載の光学検出装置。 (6)前記光ファイバの近接端とレンズの間にビームスプ
リッタを有し、ビームスプリッタはレンズによって集め
られた光の一部を検出器に指向させることを特徴とする
前項(1)記載の光学検出装置。 (7)前項(6)記載の光学装置は第２の光学信号を生成する
サーボ光源を有することを特徴とする光学装置。 (8)サーボ光源は前記第２の光学信号をビームスプリッ
タを介して表面に結合することを特徴とする前項(7)記
載の光学検出装置。
【００１９】以上の説明と図面から本発明に対するさま
ざまな変更の態様が特許請求の範囲を逸脱することなく
可能であることは当業者にとって自明のことである。
【００２０】以上のように、本発明を用いると試料表面
が傾動している場合でも、光学位置合わせを正確におこ
なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レンズと光ファイバの一次元の相対位置を制御
するための本発明に係る光学装置の一実施例を示す図。
【図２】レンズと光ファイバの二次元の相対位置を制御
するための本発明に係る光学装置の他の実施例を示す
図。
【図３】図１の例において光源と検出器の代替的配置を
示す他の実施例を示す図。
【図４】光ファイバの端部が移動する間レンズが被検面
に対して固定される本発明に係る光学装置の他の実施例
を示す図。
【符号の説明】
100、200、300、400、500：移動補償システム 102、 509：レンズ 110：光源 111：検出器 112：光ファイバ 120、220、320、507、508：アクチュエータ 121、221、321：振動発生器 124、224、324：低域フィルタ 125 、225、325：ループフィルタ 222、322：乗算器 123、223、323：加算回路 321：振動発生器 322：乗算器 323：加算回路 402：ビームスプリッタ 507、508：アクチュエータ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】表面に光学信号を印加し、前記光学信号の
    印加に応じて前記表面から発せられる光を集め、前記光
    学信号と集められた光は、前記表面に近接する端部を有
    する光ファイバの中を進む光学装置において、 前記光学信号を前記表面に結合し、前記表面から発せら
    れた光を集め、集められた光を前記光ファイバに結合す
    るレンズと、 前記光ファイバの内で、集められた光の強度を測定し、
    前記測定強度を時間の関数として表わす検出信号を生成
    する検出器と、 前記レンズを前記光ファイバに対して軸上で第１の周波
    数で前後に移動させる手段からなり、前記レンズは前記
    移動手段によって制御されるものであり、前記第１の軸
    上の前記光ファイバに対する平均位置を有し、前記平均
    位置は前記第１の周波数における前記検出信号の平均出
    力が最大限になるように繰り返し調整されることを特徴
    とする光学装置。
JP8291524A 1995-11-02 1996-11-01 光学装置 Pending JPH09166485A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US556,890 1990-07-23
US08/556,890 US6215118B1 (en) 1995-11-02 1995-11-02 Autoalignment and autofocus mechanism for coupling light between an optical fiber and a physical specimen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09166485A true JPH09166485A (ja) 1997-06-24

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ID=24223252

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JP8291524A Pending JPH09166485A (ja) 1995-11-02 1996-11-01 光学装置

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EP (1) EP0772039A3 (ja)
JP (1) JPH09166485A (ja)

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